仿生毛毛虫机器人的设计.pdf

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1、仿生毛毛虫机器人的设计张蓬，闰国帅(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京102249)DesignoftheBionicRoboticCaterpillarZHANGPeng，YANGuo—shuai(CollegeofMachineryandStorageandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)摘要：提出了仿生毛毛虫机器人的运动原理，设1移动原理计了新型基于曲柄滑块机构的仿生毛毛虫机器人运动机构。其具有反应速度快、结构稳定的特点。同毛毛虫的爬行行动在于其自由伸

2、缩的身体和交时完成了控制方案的设计并给出了机器人的运动特替运动的多足之间相互配合。因此，仿生毛毛虫设性方程。计的关键是模仿具有拉伸收缩功能的多节身体结关键词：仿生毛毛虫；曲柄滑块机构；运动特性构。通过曲柄滑块机构可实现类似的多节身体结中图分类号：TP242．3构，两节仿生毛毛虫机器人结构如图1所示。文献标识码：A文章编号：1001—2257(2014)03—0058—03Abstract：Themotionprinciplesofbiomimetieroboticaterpillararepresentedandanovelmove—mentmechanismofbionicro

3、botwhichisbasedontheslider—crankmechanismisdesigned．Thenew图1两节仿生毛毛虫机器人结构mechanismfeaturesfastreactionspeedandstable机器人由前后两节组成，机器人的车轮安装了structures．Thispaperhasdesignedcontrol防逆转作用的棘轮，使各节只能单向向前滑动。当schemesandderivedthemotionpropertyequation机器人处于水平位置时，可简化为如图2所示曲柄oftherobot．滑块机构，其中，机器人前节即为滑块。当曲柄于临

4、Keywords：bionicroboticcaterpillars；novel界位置M开始顺时针转动时，002之间的距离增movementmechanism；movingproperty加，而此时后节车轮由于棘轮作用固定，因此，连杆会推动前节向前滑行；当曲柄运动至N点继续转动0引言时，002之间的距离会减小，此时前节车轮由于棘轮作用固定，因此，连杆会拉动后节向前滑行，直至仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作曲柄运动至M点完成1个周期运动。曲柄每转动1的机器人。在生物界，仅仅依靠身体变形波传导获个周期，机器人两节之间便收缩和拉伸1次，整体向得有效运动能力的动物(如蚯蚓、毛毛虫

5、)遍布整个前移动等于2倍曲柄长度的距离。曲柄不断转动，地球，由于特殊的运动模式和生理结构，它们具有很机器人便像毛毛虫爬行一样周而复始向前伸缩滑强的环境适应性，仿生软体蠕动技术的研究已经成行。为当前仿生机器人领域研究的热点之一。结合毛毛虫爬行方式提供的设计思路，设计一种“智能百动毛毛虫”仿生机器人，实现在不同弯曲度和变直径杆管上爬行。收稿日期：2013—1O一16基金项目：国家自然科学基金资助项目(50905186)图2仿生毛毛虫机器人爬行原理·58·《机械与电子~2014(3)生柄滑块机构转化为机器人的间歇爬行。2多足仿生机器人2．2运动控制系统设计2．1机器人结构设计由于机器人

6、多节之间的运动具有一定的规律在机器人系统中，机器人的移动方式首先取决性，因此，驱动装置选择能够将电脉冲信号转变为角于机器人的用途，其次取决于对机器人工作环境、移位移的步进电机。在其额定功率内转速和运动的位动速度、稳定性、可控性、避障能力以及承载能力的置与脉冲信号的频率和脉冲数保持严格对应关系，要求。以上设计轮式滑行仿生机器人只能够在平整不受负载的影响。由于步进电机需要采用脉冲发生的地面上运动。通过改进设计机器人的腿可实现其和功率驱动电路等组成的驱动系统控制，所以设计爬杆运动[1]。多足仿生机器人具有良好的地形活动了基于Atmega8和ULN2003的运动控制系统。控性]，改进后的

7、多足仿生机器人爬行如图3所示。制器发出步进电机旋转所需的控制信号，驱动步进机构简图如图4所示。电机线性旋转一定角度，则输出轴带动夹持机构的夹持动作和曲柄的旋转运动。运动控制系统结构如图6所示。图3多足仿生机器人爬行图6运动控制系统结构3仿生毛毛虫运动特征分析3．1机器人爬行动作与曲柄转动位置关系机器人能够爬行的关键在于夹持机构与曲柄滑块机构之间的相互配合。为此，夹持运动系统中的凸轮机构必须保证弹性夹持杆能够周期性夹持、松弹性开并且能够快速切换。凸轮机构运动原理如图7所图4多足仿生